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  <title>论文阅读RTSS-2014-Quest-V分离内核中的通信与迁移(2)可预测通信与迁移 | Sekla's Blog</title>
  






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          论文阅读RTSS-2014-Quest-V分离内核中的通信与迁移(2)可预测通信与迁移
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        <h3 id="可预测通信"><a href="#可预测通信" class="headerlink" title="可预测通信"></a>可预测通信</h3><p>建立系统模型：</p>
<ul>
<li>分割的沙箱之间中的一对端点之间通信信道是半双工的，并且是单插槽通道(single slot)。单个插槽具有可配置的容量B，默认大为4Kb。</li>
<li>作为发送方(sender)端点在检测到通道为空时，会在通道中放置至多一个完整的数据槽。</li>
<li>当信道满时，充当接收者(receiver)的第二端点消耗来自信道的一个数据槽。</li>
<li>信道上的事物处理包括交换一个或者更多数据槽。一个发送方设置一个开始标志位(start flag)来发起事物处理，当数据的最后单元被提交到信道时，发送方设置一个结束(end)事务处理标识。</li>
<li>每个端点执行一个线程来映射到通信VCPU，发送方VCPU，以$V_s$表示，$V_s$具有分别用于其预算和周期的参数$C_s$和$T_s$，类似地，接收方VCPU，$V_r$具有参数$C_r$和$T_r$。两个端点在不发送数据时进行轮询到达数据，除非一个特殊的带外信号被使用，例如处理器间中断(IPI)。</li>
</ul>
<a id="more"></a>

<p>现定义与$V_s$相关联的发送线程$\tau_s$，该线程希望与接收线程通信，$\tau_r$接收线程与远程沙箱接收VCPU绑定。</p>
<p>现假设$\tau_s$以每字节$\delta_s$单位时间成本发送N字节的消息，类似地假设$\tau_r$以每字节$\delta_r$时间单位成本回复M字节消息，在应答之前，让$\tau_r$消耗K个单位的处理时间来服务通信请求。现在就可以计算出$\tau_s$和$\tau_r$之间的最差情况往返通信延迟$\Delta wc$。</p>
<h4 id="Delta-wc-情况计算"><a href="#Delta-wc-情况计算" class="headerlink" title="$\Delta wc$情况计算"></a>$\Delta wc$情况计算</h4><p>情况1：所有消息都适用一个数据槽。</p>
<p>即N，M&lt;=B，</p>
<p>情况2：消息占用多个数据槽。</p>
<p>N&gt;B，M&lt;=N^3</p>
<h3 id="可预测迁移"><a href="#可预测迁移" class="headerlink" title="可预测迁移"></a>可预测迁移</h3><p>为什么Quest-V要支持VCPUs和相关联的地址空间的迁移？</p>
<ol>
<li>平衡沙箱之间的负载</li>
<li>保证VCPU和线程的可调度性</li>
<li>更加接近类如IO设备的所需资源，否则这些资源只能通过远程过程调用访问使用，浪费了资源</li>
</ol>
<p>迁移初始化使用<code>vcpu_migration</code>接口：</p>
<figure class="highlight c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="function"><span class="keyword">bool</span> <span class="title">vcpu_migration</span><span class="params">(<span class="keyword">uint32_t</span> time, <span class="keyword">int</span> dest, <span class="keyword">int</span> flag)</span></span>;</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>其中time参数以毫秒为单位来指定超时或者时间限制取决于flag，dest参数指定特定目的地沙箱ID或者DEST_ANY，如果调用者希望允许沙箱内核来选择一个可接受的目的地，标志位参数可为0，MIG_STRICT或者MIG_RELAX。</p>
<p>迁移功能是非阻塞的，只有当迁移请求被接受才会返回true，调用方可以恢复正常操作，实际的迁移由沙箱调度决定。调用线程可以在其任务结构中使用标志，或者检索其当前沙箱ID，以检查迁移是成功还是失败。</p>
<h4 id="MIG-STRICT"><a href="#MIG-STRICT" class="headerlink" title="MIG_STRICT"></a>MIG_STRICT</h4><p>该标志设置时，调用线程及其VCPU将迁移到目标，但是限制是迁移VCPU的利用率不会受到影响，本地沙箱内核必须找到一个合适的时间来执行迁移，所以time参数可以用于指定可选超时避免无限忙等待。为0就禁用超时期限。</p>
<h4 id="0"><a href="#0" class="headerlink" title="0"></a>0</h4><p>标志设置为0时，time参数用于指定迁移截止时间。沙盒内核将尝试在截止时间内将调用线程及其虚拟CPU迁 到指定的目标。但是此期间调用线程的VCPU使用率会受到影响在迁移过程中，对于迁移的VCPU来说，最坏情况下的停工时间是从请求发出的时间到指定的截止日期。</p>
<h4 id="MIG-RELAX"><a href="#MIG-RELAX" class="headerlink" title="MIG_RELAX"></a>MIG_RELAX</h4><p>此标志位下，调用线程和VCPU无论需要多长时间都会被迁移到目标，与0一样，调用接口使用此参数将影响迁移VCPU的使用率，然而VCPU停工时间不受0标志的限制。 </p>
<p>注意标志位的不同只会影响迁移线程和他的VCPU的行为，所有其他的在原始和目的沙箱中的VCPU都不会受到影响。</p>
<h4 id="代码实现困难"><a href="#代码实现困难" class="headerlink" title="代码实现困难"></a>代码实现困难</h4><p>代码实现的难度为：</p>
<ol>
<li>准确计算迁移的开销成本</li>
<li>准确估计所有环境下最差情况下的迁移成本</li>
</ol>
<h3 id="可预测迁移的策略"><a href="#可预测迁移的策略" class="headerlink" title="可预测迁移的策略"></a>可预测迁移的策略</h3><p>设计Quest-V将一个地址空间(可能对应多线程)限制为只与单个VCPU关联，这种限制避免了在沙箱之间迁移VCPU和多个地址空间的问题，这种问题会导致内存复制的延迟。</p>
<p>从一个沙箱的私有内存迁移需要把地址空间和所以线程数据结构复制到目标，每个线程都有一个quest_tss的数据结构关联，这个数据结构存储执行上下文和VCPU的状态。</p>
<p>系统初始化的时候每个沙箱中建立专用的迁移线程和相对应的VCPU，迁移线程负责实际的VCPU迁移操作，本地沙箱内核使用IPI来向远程迁移线程通知迁移请求，论文当中只实现了每个沙箱配置一个迁移线程和VCPU，同时发生多个迁移请求会按顺序进行处理。</p>
<h4 id="使用消息传递的迁移"><a href="#使用消息传递的迁移" class="headerlink" title="使用消息传递的迁移"></a>使用消息传递的迁移</h4><p>通过通信信道传递一系列消息来传输线程状态，包括地址空间和VCPU信息，这种方法可以在不同的通信链路上通用，包括共享存储器不可用的通信链路。</p>
<p>要启动迁移，首先将IPI发送到目标沙箱中的迁移线程，然后目标沙箱等待特定通道上的数据，由于默认通信通道大小为4KB，所以需要消息流来迁移地址空间等数据，目标沙箱接收数据流后再进行重新组装，然后需要从目标沙箱到源沙箱的IPI或确认消息来通知迁移已经完成，如果成功，源沙箱中的迁移线程将能够回收资源，否则迁移的VCPU会被放回源沙箱中的运行队列。在迁移虚拟CPU之前，将在目标位置执行准入控制，用于验证迁移VCPU和目标中所有现有VCPU的可调度性，准入控制失败则迁移拒绝。</p>
<p>该方法下Quest-V建立基本成本复制未启用缓存的内存页，估计最差情况下的迁移成本：</p>
<ol>
<li>将迁移状态数据信息串行化为消息序列的成本。</li>
<li>发送消息的延迟。</li>
<li>将信息序列重新组装的成本。</li>
</ol>
<h4 id="使用内存直接复制的迁移"><a href="#使用内存直接复制的迁移" class="headerlink" title="使用内存直接复制的迁移"></a>使用内存直接复制的迁移</h4><p>两个沙箱之间传输大量状态信息最坏情况时间会耗费多个迁移vCPU的时钟周期，如果设置了MIG_STRICT标志位，就很难使用消息传递来满足VCPU迁移请求，但是对于通过共享内存通信的沙箱就可以显著减少迁移开销。</p>
<p><img src="https://i.loli.net/2021/11/14/ePSybFqN168Rxjv.png" alt="image-20211114144236955"></p>
<p>该方法流程如图所示，首先将IPI发送到目标沙箱，以启动迁移，迁移线程处理目标沙箱中的IPI，在其Monitor中生成一个陷阱，该Monitor可以访问所有沙箱的机器物理内存，源沙箱中的迁移地址空间会被临时映射到目标，然后将地址空间和关联的quest_tss线程数据结构复制到目标沙箱的内存中，然后目标沙箱中的Monitor就可以删除源沙箱的页面映射，同第一种方法，同样需要目标沙箱到源沙箱的IPI来通知迁移完成，在Monitor模式下会禁用中断，目标中的迁移线程可以退出其Monitor并返回到沙箱内核，迁移的地址空间连接到其VCPU，并添加到本地调度中。</p>
<p>在直接内存复制方法下，最差迁移花费可以被简单定义成与目标沙箱中的VCPU和迁移线程，地址空间复制与数据结构复制到目标的时间有关。</p>
<h4 id="迁移线程的抢占"><a href="#迁移线程的抢占" class="headerlink" title="迁移线程的抢占"></a>迁移线程的抢占</h4><p>迁移线程在每个沙箱中都绑定在一个VCPU上，如果虚拟CPU耗尽其预算或更高优先级的虚拟CPU已准备好运行，则应抢占迁移线程。但是如果使用直接内存复制，迁移线程抢占将变得复杂， 因为线程的大部分时间都在Monitor内，而每个沙箱调度程序都在本地内核（监视器外）内运行。</p>
<p>在这种情况下，迁移线程抢占需要在沙箱监视器 及其内核之间进行域切换，以访问本地调度程序。这样就导致了高昂的刷新成本。为了避免这种成本，可以把迁移线程抢占限制为只允许在特定的抢占点，而且每个迁移线程赋予最高优先级的VCPU，日志仅限于跟踪每个预占点的预算使用情况，这样在一个周期中迁移线程只需要对其本地Monitor进行一次调用。</p>
<p>抢占点的位置：</p>
<ol>
<li>紧接在复制每个quest_tss结构之后</li>
<li>在地址空间克隆器件处理每个页目录之间</li>
<li>恰好在将迁移的地址空间绑定到其VCPU之前用于重新调度</li>
</ol>
<p>CPU预算超支情况下，根据修正的POSIX零星服务器算法调整下一次预算补充。</p>
<p><img src="https://i.loli.net/2021/11/14/3rbhZAJiNBYeUXM.png" alt="image-20211114150516430"></p>
<p>流程如图。</p>
<h4 id="时钟同步"><a href="#时钟同步" class="headerlink" title="时钟同步"></a>时钟同步</h4><p>迁移过程还需要不同沙箱之间的时钟同步问题，Quest-V使用TSCs(本地APIC计时器及时间戳计数器) 作为所有时间相关源系统中的活动，这些活动不能保证由硬件同步。QUESTV调整每个迁移地址空间的时间，以补偿时钟偏差。</p>

    </div>
    
    
    

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      论文阅读RTSS-2014-Quest-V分离内核中的通信与迁移(3)实验评估 <i class="fa fa-chevron-right"></i>
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